大視場反射式自由曲面空間相機畸變標定方法
【專利摘要】大視場反射式自由曲面空間相機的畸變標定方法屬于光學檢測與光學測量【技術領域】，該方法利用三臺經緯儀建立測量坐標系，通過基準轉換標定出光學系統全視場內各計量標記點的方位角、俯仰角，再通過數據擬合方法實現視場角為76度的反射式自由曲面光學系統在分散裝調狀態下二維畸變分布的標定。本發明實現了復雜光學系統散擺條件下的保精度畸變測量，降低了研制成本，縮短了研制周期；經試驗結果驗證上述測量及數據解算方法的精度與準確性均滿足研制需求。
【專利說明】大視場反射式自由曲面空間相機畸變標定方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學檢測與光學測量【技術領域】，具體涉及一種大視場反射式自由曲面 空間相機的畸變標定方法。

【背景技術】
[0002] 用于地面農作物普查的空間遙感器需要具備較大的視場角，才可以實現衛星一次 過頂對應的地面刈副寬度滿足農作物長勢等觀測數據量需求。為此，遙感器的主要光學載 荷--甚寬覆蓋多光譜空間相機（以下簡稱空間相機）采用多個反射式自由曲面光學元件 構成光學系統，可以達到76°的視場角，但由此引起的畸變在成像方向上高達10% (理論 值）。上述畸變會引起圖像失真與扭曲，造成視場中央與視場邊緣推掃速度產生差異，并且 導致遙感器成像過程中各視場的相移補償存在誤差，進而引起圖像分辨率下降以及光譜通 道配準誤差。可以說，對于推掃成像的多光譜空間相機，較大的畸變會引起主要光學指標的 全面下降。為此需要在空間相機裝調過程中對全視場畸變進行精密標定，擬合出像面各點 的畸變分布，為進一步精密裝調及畸變矯正提供必要的測量數據。
[0003] 目前，實驗室內常用的畸變標定方法包括精密測角法、三維空間試驗場標定法、基 于徑向約束的兩步標定法、同一標定物多角度成像法、基于光學衍射元件的標定方法及自 標定方法等。現有方法在進行大視場多光譜反射式自由曲面光學系統裝調過程中畸變標定 時存在的不足與缺點如下：
[0004] (1)多光譜相機采用推掃成像方式，而三維空間試驗場標定法、基于徑向約束的兩 步標定法（RAC)、同一標定物多角度成像法等只適用于面陣探測器凝視成像系統的畸變標 定，因此難以應用于推掃成像系統裝調階段的畸變標定。
[0005] (2)基于光學衍射元件的標定方法需要口徑覆蓋待測光學系統的大尺寸衍射光學 元件以提供不同角度的入射光線，而待測系統有效口徑超過750_，目前難以加工出適合的 衍射元件。
[0006] (3)常規精密測角標定方法使用轉臺、平行光管及標準標定物實現畸變精密測量， 但對于76°視場的空間相機，需要研制口徑超過1500mm的平行光管才可以在轉臺旋轉過 程中覆蓋全部視場角，其研制成本與難度難以承受。
[0007] (4)精密測角法需要將光學系統放置在高精度轉臺上以提供標準角度，但高性能、 復雜光學系統集成裝調過程是在光學平臺上借助大量的輔助裝調設備分散完成的，上述輔 助裝調設備連同光學平臺的尺寸與重量過大難以放置在轉臺上進行畸變標定。
[0008] (5)對于由反射式自由曲面光學兀件構成的成像系統，其畸變分布規律并不完全 符合最小二乘規律等現有的畸變擬合先驗法則，難以采用目前的畸變擬合方法解算全視場 內各點的畸變值。


【發明內容】

[0009] 為了解決上述大視場多光譜空間相機在光學系統裝調過程中難以進行畸變標定 的技術問題，本發明提出一種大視場反射式自由曲面空間相機畸變標定方法，其采用三臺 經緯儀建立坐標系，通過基準轉換的方法，在保證現有標定精度的基礎上，實現自由曲面光 學系統裝調過程中的畸變標定。此外該方法通過與光學設計仿真模擬的光束出射二維偏角 的逐點比對計算，結合多項式擬合算法，可計算畸變分布函數中多項式系數，最終得到光學 系統全視場各點的畸變值。通過應用該方法得到的畸變標定數據對圖像進行矯正，驗證了 該方法的有效性以及畸變標定精度。
[0010] 本發明解決技術問題所采取的技術方案如下：
[0011] 大視場反射式自由曲面空間相機畸變標定方法，包括如下步驟：
[0012] 步驟一：調整網格分劃板的位置，使其位于待測光學系統的焦平面內，且網格分劃 板的法線方向與待測光學系統的光軸平行，網格分劃板的網格線絕對水平；
[0013] 步驟二：將測量經緯儀調平，并校準其光學內調焦系統至無窮遠的位置固定不 變；
[0014] 步驟三：調整第一基準經緯儀和第二基準經緯儀的位置，使測量經緯儀在可以照 準待測光學系統全部視場的前提下，仍然能夠分別與第一基準經緯儀、第二基準經緯儀實 現互瞄；將第一基準經緯儀和第二基準經緯儀調平，分別校準無窮遠位置，并在任意方向對 兩個基準經緯儀的方位角清零；然后根據測量方向選取第一基準經緯儀或第二基準經緯儀 與測量經緯儀互瞄對方的自準直十字絲，并記錄各基準經緯儀對應的方位角和俯仰角；
[0015] 步驟四：使用測量經緯儀逐一照準網格分劃板上的各條網格線交匯點，并記錄測 量經緯儀對應的方位角、俯仰角；
[0016] 步驟五：將測量經緯儀沿待測光學系統的線視場方向平移，每次平移后重新調平 測量經緯儀；平移到每個位置后，使用測量經緯儀依照步驟三中的方法再次與第一基準經 緯儀或第二基準經緯儀進行互瞄，可以得到轉換坐標系的方位角ω'和俯仰角Θ ':

【權利要求】
1.大視場反射式自由曲面空間相機畸變標定方法，其特征在于，該方法包括如下步 驟： 步驟一：調整網格分劃板（4)的位置，使其位于待測光學系統（7)的焦平面內，且網格 分劃板（4)的法線方向與待測光學系統（7)的光軸平行，網格分劃板（4)的網格線絕對水 平； 步驟二：將測量經緯儀（1)調平，并校準其光學內調焦系統至無窮遠的位置固定不變； 步驟三：調整第一基準經緯儀（3)和第二基準經緯儀（6)的位置，使測量經緯儀（1)在 可以照準待測光學系統（7)全部視場的前提下，仍然能夠分別與第一基準經緯儀（3)、第二 基準經緯儀（6)實現互瞄；將第一基準經緯儀（3)和第二基準經緯儀（6)調平，分別校準無 窮遠位置，并在任意方向對兩個基準經緯儀的方位角清零；然后根據測量方向選取第一基 準經緯儀（3)或第二基準經緯儀（6)與測量經緯儀（1)互瞄對方的自準直十字絲，并記錄 各基準經緯儀對應的方位角和俯仰角； 步驟四：使用測量經緯儀（1)照準網格分劃板（4)上的各條網格線的一系列交匯點 (8)，并記錄測量經緯儀（1)對應的方位角、俯仰角； 步驟五：將測量經緯儀（1)沿待測光學系統（7)的線視場方向平移，每次平移后重新調 平測量經緯儀（1);平移到每個位置后，使用測量經緯儀（1)依照步驟三中的方法再次與第 一基準經緯儀（3)或第二基準經緯儀（6)進行互瞄，可以得到轉換坐標系的方位角ω '和 俯仰角Θ ':
其中，α為在測量位置Ν進行第Ν次互瞄時，測量經緯儀（1)相對于網格分劃板（4) 上最后一個網格線交匯點（8)與測量位置Ν之間的方位夾角為第二基準經緯儀（6)相 對于清零方向旋轉的方位角；β為測量經緯儀（1)移至測量位置N+1并重新調平后，測量 經緯儀（1)對測量位置Ν最后一個網格線交匯點（8)的方位角與再次互瞄后的方位角的夾 角；Φ 2為第二基準經緯儀（6)與測量經緯儀（1)位于測量位置Ν+1再次互瞄后相對于清零 方向旋轉的方位角；以及，Π i為測量經緯儀（1)在測量位置Ν對網格分劃板（4)上最后一 個網格線交匯點（8)的俯仰角；η2為測量經緯儀（1)在測量位置N+1照準測量位置N最后 一個網格線交匯點（8)的俯仰角； 步驟六：根據步驟五的測量原理，將測量經緯儀（1)沿待測光學系統（7)的線視場方 向移動，順次照準網格分劃板（4)上各條網格線的一系列交匯點（8)，并記錄測量經緯儀 (1)對應的方位角和俯仰角；在每次移動測量經緯儀（1)后，依照步驟五中的方法與第一基 準經緯儀（3)或第二基準經緯儀（6)建立位置轉換基準，得到轉換坐標系的俯仰角和方位 角； 步驟七：根據步驟六得到的測量數據，依據內方位元素計算公式，得到待測光學系統 (7)的主點坐標（X。，yQ)和主距（fx，fy)，過程如下： 步驟7.1、通過計量得到網格分劃板（4)上各條網格線交匯點⑶對應的坐標為：
，其中（Xi，yk)表示第i行網格線與第k列網格線交匯點的 坐標的理論值； 步驟7. 2、采用步驟六中的標定方法，并結合步驟五中的各轉換坐標系， 可測試并計算得到各網格線交匯點（8)對應出射光束的方位角和俯仰角為：
，其中（《ik，0ik)表示對應第i行與第k列網格線交 匯點出射光束的方位角、俯仰角； 步驟7. 3、將上述得到的方位角和俯仰角對應代入光學設計軟件中，根據待測光學 系統（7)的光學設計結果計算得到對應| (c〇ik，Θ ik) |的一組網格線交匯點坐標計算值 (X/，yk' )1，即對應出射光束視場角的待測光學系統像面坐標的計算值，根據此計算值 可以擬合出其對應的坐標原點（xiC/，y k(/ ); 步驟7. 4、根據網格線交匯點理論坐標矩陣I (Xi，yk) I計算得到相應的坐標原點 (xiQ，yM)，計算實際坐標原點（Xk/，ykc/ )與理論坐標原點（xi(l，yk。）的差值即得到主點坐 標（Χ〇，％)，進而在光學設計軟件中計算得到相應的主距（f x，fy); 步驟八：將步驟七計算得到的主點和主距，代入根據裝調后光學系統實際光路關系建 立的光學仿真模型中，仿真計算出光學系統上各條網格線交匯點對應的出射光線的方位 角、俯仰角；再解算上述仿真數據與測量數據及畸變系數建立的超定方程組，可得到多項式 擬合的系數；將得到的系數代入畸變擬合計算公式中，計算待測光學系統（7)焦平面內任 意坐標位置的畸變值，過程如下： 步驟8. 1、待測光學系統（7)像面內任一點畸變的數學模型為：
式中，V k2、k3及Pl、p2為待估算的畸變系數，X、y為像面內任一點坐標，X。、y Q為主點 坐標； 步驟8. 2、根據步驟7. 1得到的網格線交匯點的有限個坐標（Xi，yk)以及步驟7. 4得到 的主點坐標和主距（fx，fy)，計算得到對應的有限個網格線交匯點的畸變值：
(4) 步驟8. 3、聯立上述公式（3)和公式（4)建立超定方程組為： Οχ = Dix，Dy = Diy 求解上述超定方程組，計算得到畸變系數kp k2、k3及Pl和p2，再代入公式（3)可計算 出像面內任一點的畸變值。
2.如權利要求1所述的大視場反射式自由曲面空間相機畸變標定方法，其特征在于， 所述步驟一包括如下步驟： 步驟1.1、在測量經緯儀（1)的位置放置配有平面標準鏡的光學干涉儀，使干涉儀、待 測光學系統（7)、網格分劃板（4)構成準直干涉光路； 步驟1. 2、分別在待測光學系統（7)的+1視場、0視場、-1視場內，根據待測光學系統 (7)的波相差利用多維調整機構（5)調整網格分劃板（4)的位置，直至上述各視場的平均波 相差最小，則此時網格分劃板（4)位于待測光學系統（7)的焦平面內； 步驟1. 3、將測量經緯儀（1)放置在步驟1. 1所述的位置，并將其調平； 步驟1. 4、使用測量經緯儀（1)分別在待測光學系統（7)的+1視場、0視場、-1視場 內，分別照準網格分劃板（4)的同一條橫向網格線，利用多維調整機構（5)調整網格分劃板 (4)的滾轉角，直至測量經緯儀（1)在照準網格分劃板（4)的同一條橫向網格線時對應的俯 仰角一致，則表明網格分劃板（4)對地調平，并且網格分劃板（4)法線方向與待測光學系統 (7)的光軸平行，網格線絕對水平。
【文檔編號】G01C25/00GK104215261SQ201410427349
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】何煦, 張曉輝, 吳國棟, 曹智睿 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所